大気圏再突入実証機

先進再突入実証機( ARD ) は、欧州宇宙機関(ESA) の弾道再突入機でした。ARD は実験目的で開発、運用されました。特に、ARD に統合された複数の再突入技術と機体の全体設計を検証し、再突入中に発生するさまざまな現象についてより深い洞察を得ることを目的としていました。

ARD は一度だけ宇宙飛行を行った。1998 年 10 月 21 日、この機体はアリアン 5 使い捨てロケットの 3 回目の飛行で打ち上げられた。記録された高度 830 km に到達した ARD は、誘導式再突入を行い、 1 時間 41 分の飛行後、太平洋の予定目標地点に比較的近い場所に着水した。回収とその後の分析の結果、機体は正常に動作し、ノーズ コーンとヒート シールドの熱保護は理想的な状態のままで、完全に気密で無傷の状態であったことが判明した。

ARDは、ヨーロッパで製造、打ち上げ、回収された最初の誘導式弾道再突入機でした。^{[1] [2]}このミッションの主な目的の1つは、将来の再突入機と精密着陸能力の開発中に後で使用できる知識を集めることでした。このプログラムの余波で、ESAは、中間実験機（IVX）として知られる後続の再突入実証機の開発に着手することを決定しました。最初のIXV機は、2015年2月に最初のテスト飛行に成功しました。ARDとIVXの実証機は、一連の量産標準スペースプレーンの最初のものとなる予定のスペースライダーと呼ばれる機体の開発に向けた足がかりとなることを目的としています。

1980年代以降、再使用型宇宙船の開発に対する国際的な関心が高まったが、この時点では当時の超大国であるソ連と米国だけがこの機能を開発していた。^[2]イギリスやフランスなどのヨーロッパ諸国は、多国籍組織である欧州宇宙機関（ESA）の支援を引き付けようとしながら、 HOTOLやヘルメスなどのスペースプレーンを製造するための独自の国家プログラムに着手した。これらのプログラムは最終的に開発を継続するための十分な支援を集めることができなかったが、ESAの加盟国の中には再使用型宇宙船の開発を追求する要望がまだあった。^[2]したがって、ヘルメス計画の放棄後すぐに、その後の再使用型宇宙船の開発を支援する機体を製造することを目的とした技術実証プログラムを実施することが決定された。 ESAは後に、大気圏再突入実証機（ARD）として知られるようになったこの計画について、「地球に帰還可能な宇宙輸送機の開発と運用に向けた大きな一歩...ヨーロッパは初めて、宇宙に機体を打ち上げ、安全に回収するという完全な宇宙ミッションを遂行することになる」と述べた。^[2]

ARDは、ESAの監督下で民間宇宙協力プログラムとして開発・運用され、同機関の有人宇宙輸送プログラム（MSTP）の枠組みに含まれていた。^[1]この枠組みの下で、プログラムは2つの主要な目的を掲げて進められた。第一に、ESAは、欧州宇宙産業が低コストの再突入機を設計・製造する能力と、弾道飛行、再突入、機体回収など、再突入機の運用に関わる重要なミッション段階を処理する能力を実証することに熱心だった。^[1]さらに、ARDには包括的なセンサーと記録装置が装備されていたため、試験中に詳細な測定値が得られ、飛行の連続段階にわたるさまざまな現象の調査が非常に価値があることが認識された。得られたデータはその後カタログ化され、将来の再突入機や再使用型打ち上げシステムなどのさらなるプログラムで活用される予定だった。^{[1] [2]}

ARDの開発と建造を行うために選ばれた主契約者は、フランスの航空宇宙会社であるAérospatiale （後に多国籍企業EADS – SPACE Transportationグループに合併）でした。^[1] 1995年から1996年にかけて、そのような乗り物の形状のコンセプトを探求する複数の開発研究が実施され、最終的に、NASAが以前に運用していた古典的な有人アポロカプセルに似た構成を採用することが決定されました。既存の形状の使用は、機体の空気力学的特性の長さの調査を避けるための意図的な措置でした。機体の寸法と質量は、機体の展開に使用されるアリアン5使い捨て打ち上げシステムの機能によっても定義されました。 ^{[1] [2]}

当初から、プログラムのスケジュールは比較的厳しく、資金も限られていたと主張されている。^[1] ESAによると、プログラムの資金制限は、以前の取り組みよりも少ない予算でこのような乗り物を実証できることを証明するための意図的な取り組みであった。^[2]

ARD と IVX のデモンストレーターを通じて得られた経験とデータは、Space Riderと呼ばれる乗り物の開発に向けた足がかりとして役立っています。

ARDは無人の3軸安定型自動カプセルであり、主に技術実証とデータ収集を目的とした実験的な再突入機として機能した。^[2]形状的にはアメリカのアポロ宇宙船の70%スケール版に外観が似ており、ESAでは将来運用可能な輸送機の50%スケールの機体とみなしている。そのため、直径は2.8メートル、大気圏との接触点での重量は2.8トンである。^{[1] [2] ARDは、主に}アルミニウム合金でできた気密・防水の加圧構造を持ち、ノーズコーンの外側にはNorcoat 62250 FIコルク複合タイルの層で、ヒートシールド上にはアレストラシル二酸化ケイ素-フェノールホルムアルデヒド樹脂タイルの配列で保護されている。車両自体は、フロントシールドセクション、リアコーンセクション、バックカバーセクションの3つの異なるセクションに分けられます。^{[1] [2]}

ARDは再突入時に機動性を備えており、オフセット重心により好ましい揚抗比が達成されている。^{[1] [2]}誘導則はアポロやスペースシャトルの誘導則に似ており、抗力速度プロファイル制御とバンク角操縦に基づいており、加熱、荷重係数、リバウンド、その他の必要な条件に適合している。ESAによれば、これによりリアルタイム計算の複雑さを抑えながら、許容できる最終誘導精度（5 km以内）が得られたという。運用中、誘導システムは、空気力が効率的になるとすぐにアクティブになり、反応制御システムが効率的である限りアクティブになる。^{[1] [2]}飛行制御面を使用する代わりに、製造元によればアリアン5使い捨て打ち上げシステムから派生した7つのヒドラジンスラスタの組み合わせによって非線形制御が確保されている。これらのロケットスラスタは、それぞれ通常400ニュートンの推力を発生し、ブローダウン構成で配置され、3つのユニットがピッチ制御（2つがロール用、2つがヨー用）を提供するように配置されました。^{[1] [2]}

ARDの耐熱シールドは、大気圏への再突入時に最高2000℃の温度と1000kW/m2に達する熱流にさらされる。これは大気圏の電離によるもので、再突入降下時には機体が時速27,000kmを超える極超音速で飛行することで発生する。 ^[2]機体の円錐部分は1000℃、熱流束は90～125kW/m2に達するが、機体内部の温度は40℃を超えることはない。使用された耐熱対策は、アエロスパシアル社がフランス軍事計画で既に開発していた既存素材と複数の新世代素材を組み合わせたもので、新世代素材は主に試験目的で使用されていた。^[2]再突入中、ARDのヘッドシールドの厚さはわずか0.5mmしか失われず、空気力学的形状は比較的一定に保たれ、飛行制御アルゴリズムが簡素化されます。^[2]

この機体には降下回復システム（DRS）が装備されており、着水前に展開することで衝撃荷重を抑え、最大36時間の浮力を確保する。^[2]このシステムでは、ノーズコーンの先端の内部空間に格納された複数のパラシュートを展開する。合計で、1つの平らなリボンパイロットシュート、1つのリーフィングステージを備えた1つの円錐形リボンドローグシュート、および2つのリーフィングステージを備えた3つのスロット付きリボンメインパラシュートが通常展開される。浮力のために、DRSには一対の膨張式バルーンも搭載されており、機体を直立させるのに役立つ。^[1] ARDは、回復を支援するために、衛星ベースの捜索救助 無線ビーコンと点滅灯の両方を備えている。^[2]

ARDの内部空間には、大気圏再突入および着陸のための新技術と飛行制御機能を試験し、認定するための最先端の技術が詰め込まれていた。^[1]この機体の航空電子機器は、主にアリアン5ロケットで使用されていた既存の機器から供給された。誘導および航法システムは、データバスを介して、飛行の弾道段階でGPSによって自動的に修正されるコンピュータ化された慣性航法システムを使用していた。しかし、ARDはGPSの故障例に耐えられるように設計されており、これは、慣性航法の読み取り値によって定義された、事前に確立された「信頼性ウィンドウ」内にGPSから得られたデータが収まっていることを確認する一連の制御ループアルゴリズムによって実現されている。^[1]この機体の単独のミッション中、ARDの飛行性能と搭載機器の動作を分析するために使用された200を超える重要なパラメータが継続的に記録され、地上に送信された。^[2]

ARDは1回の宇宙飛行のみを行った。1998年10月21日、ARDはアリアン5 使い捨てロケットの3回目の飛行で打ち上げられた。^[1] ARDは、フランス領ギアナのクールーにあるヨーロッパの宇宙港、ギアナ宇宙センターから打ち上げられてから12分後、ロケットの極低温主段が分離された直後（高度約216 km）に放出された。ARDは記録された高度830 kmに到達し、その後、大気圏への誘導再突入が行われた。1時間41分の飛行の後、マルケサス諸島とハワイの間の太平洋の目標地点から4.9 km以内に着水した。 ^[1]

ARDは着水後約5時間で回収された。回収後、機体はヨーロッパに輸送され、性能に関する詳細な情報を得るため詳細な技術分析が行われた。弾道飛行のデータを解析したエンジニアは、カプセルのすべてのシステムが期待通りに正常に動作したと報告した。飛行中の機体のリアルタイムテレメトリ放送の解析でも、すべての電気機器と推進システムが正常に機能したと報告された。搭載されたテレメトリシステムと受信ステーションはすべて正常に動作し、搭載されたGPS受信機は、予想通り再突入時の停電時を除き、飛行中ずっと正常に動作した。^[1]

ARDの性能に関するミッション後の分析の後、プログラムの実証およびシステム要件はすべて正常に達成されたことが発表されました。^[1]テスト飛行自体は、特に軌道と飛行制御の面で「ほぼ正常」であったと説明されました。さらに、ナビゲーション（プライマリとバックアップ）、推進、熱保護、通信、DRSなどの搭載システムの多くは、予測どおりに機能するか、これらの予測をわずかに超えただけであることが確認されました。^[1]再突入中、熱シールドの温度は記録されたピーク温度900 °Cに達しました。それでも、機体のコーンと熱シールドの熱保護は、回収後に完璧な状態であることが確認されました。^[1]

分析中に浮き彫りになった問題には、設計上の不確実性により実在気体効果などの一部の物理現象の観測が困難になったことや、一部の熱電対の早期故障により空力環境の特性評価が妨げられたことなどがある。全体として、この飛行により大量の高品質の空力情報が持ち帰られ、地上の予測ツールの機能を確認し強化するなどの利点があったとされている。^{[1]回収とミッション後検査の終了以来、唯一のARD機体自体は保存され、オランダの}ノールトウェイクにある欧州宇宙研究技術センターで一般公開されている。^[1]

• IXV、ESAの後継再突入実証機、2015年2月にテスト済み。
• OREX、1994年からNASDAによって開発され飛行した同等の日本の実証機
• CARE 、 2014年12月18日にGSLV Mk III LVM 3Xに搭載されて打ち上げられたISRO軌道船の実験テスト車両

• EADS ARDウェブページ
• ESA ACRV レビュー 2007-09-29 にWayback Machineでアーカイブ
• 1996年に南イタリアで行われた成層圏気球からのARD落下試験